川西北地区中泥盆统富孢子体烃源岩生气潜力与生烃动力学参数

吴子瑾, 周 秦, 李腾飞, 纪 随, 田 辉*

川西北地区中泥盆统富孢子体烃源岩生气潜力与生烃动力学参数

吴子瑾1, 2, 周 秦1, 3, 李腾飞1, 3, 纪 随1, 3, 田 辉1, 3*

(1.中国科学院 广州地球化学研究所, 有机地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3. 中国科学院深地科学卓越创新中心, 广东 广州 510640)

川西北泥盆系已成为四川盆地天然气勘探开发的重要层系之一, 对于该区烃源岩的关注也逐渐增多, 但相关生气研究仍比较少。本研究对新发现的中泥盆统富孢子体烃源岩开展了有机岩石学和黄金管–高压釜热模拟等实验, 明确了该类烃源岩的生气潜力与特征, 并获取了相应的生气动力学参数和甲烷碳同位素分馏动力学参数。结果表明, 中泥盆统富孢子体烃源岩中孢子体含量异常丰富, TOC含量高(5.65%～14.24%), 有机质以I-II型干酪根为主, 封闭体系下C1～5总气最高产率为399.7 mL/g (每克TOC的产率, 下同)。C1～5总气生成的频率因子为2.84×1014s−1, 离散型活化能分布范围在213.5268～314.0100 kJ/mol之间, 活化能主峰为280.5156 kJ/mol。甲烷生成的频率因子为4.72×1014s−1, 高斯型分布的活化能均值为280.5156 kJ/mol, 方差σ为29.3076 kJ/mol, 活化能分布在221.9004～339.1308 kJ/mol之间。甲烷13C1和12C1生成活化能差值(Δ)最大为280.5156 J/mol, 最小为91.8165 J/mol, 生成甲烷母质的初始碳同位素为−28.1‰。地质条件下的天然气生成与甲烷碳同位素分馏模拟结果表明, 该套烃源岩可能是川西北泥盆系气藏中天然气的来源之一。以上认识为研究区下一步天然气勘探提供了新思路。

烃源岩; 孢子体; 热模拟实验; 生气动力学; 四川盆地

0 引 言

川西北地区油气勘探历史悠久, 如今已成为四川盆地天然气勘探开发的重要区域之一(黄第藩和王兰生, 2008; 杨跃明等, 2018)。其中, 位于川西北地区双鱼石构造的双探3井在中泥盆统观雾山组白云岩储层获得了日产11.6×104m3的工业气流, 展示了泥盆系具有良好的天然气勘探前景(谢增业等, 2018;魏国齐等, 2019)。近年来, 对于泥盆系烃源岩的研究也逐渐增多, 但由于川西北地区构造复杂, 泥盆系野外露头出露较少, 对烃源岩的认识仍有一定争议。如赵洁等(2018)认为川西北地区泥盆系发育有机质丰度高的海相烃源岩, 但胡国艺等(2021)则认为观雾山组–金宝石组–养马坝组虽存在烃源岩, 但其TOC含量整体偏低, 为差–中等烃源岩。同时, 在泥盆纪初期, 中国南方的古地理和植被均发生了显著变化, 沉积环境由浅海向滨岸和过渡相转变(Dai et al., 2012; 邱中建等, 2012), 植物生长区域由浅海向陆缘转移, 成煤植物也由低等到高等演化, 进而导致生烃母质开始由腐泥质向腐殖质转变(Dai et al., 2006)。因此, 关于泥盆系烃源岩生烃母质及其生气潜力的研究十分重要, 但由于中国南方已发现的泥盆系烃源岩样品成熟度都较高, 故相关研究还较少。

目前, 前人已对云南禄劝中泥盆统角质残植煤的有机岩石学和地球化学特征进行了深入研究, 在角质体的生烃潜力与生烃特征方面取得了系列成果(Han, 1989; 盛国英等, 1991; 程顶胜等, 1997; 权彪和韩德馨, 1998; 刘德汉等, 2000; Dai et al., 2006; 刘文斌等, 2008)。最近, 笔者在川西北龙门山断裂带金子山地区中泥盆统金宝石组内发现了富孢子体的低熟泥岩夹层, 虽然其在金子山地区厚度分布较为局限, 但并不能排除其在川西北其他地区的广泛存在(赵洁等, 2018)。同时, 孢子体属于生烃能力较好的显微组分, 在高–过成熟度阶段形成的油型气可作为川西北地区泥盆系天然气藏的潜在气源之一。鉴于此, 本研究在对川西北地区中泥盆统富孢子体烃源岩有机岩石学和地球化学分析的基础上, 利用黄金管–高压釜热模拟实验研究其生气潜力和热解气体的地球化学及C同位素特征, 并获取了天然气生成的生烃动力学参数和甲烷C同位素分馏动力学参数, 以期为今后川西北地区泥盆系天然气勘探提供技术支撑。

1 研究样品与实验方法

1.1 研究样品

本研究样品采自川西北地区龙门山断裂带金子山地区(图1a), 采样层位是中泥盆统金宝石组砂岩地层中的泥岩夹层(图1b)。金宝石组岩性主要以中至细粒石英砂岩、粉砂岩夹泥岩为特征, 常见滨海波痕及斜层理, 为典型滨浅海相沉积(刘春等, 2010), 在附近的天井山背斜下泥盆统平驿铺组内发育丰富的沥青和油砂(周文等, 2007; 邓虎成等, 2008; 刘春等, 2010)。

1.2 实验方法

烃源岩样品粉碎至100目后在Vinci RockEvalTM6(Standard)仪器上完成岩石热解实验。烃源岩总有机碳(TOC)测定在Leco CS-200碳硫分析仪上完成, 测试之前首先用稀盐酸去除样品中的碳酸盐岩矿物。将烃源岩样品用盐酸和氢氟酸交替处理, 加入无砷锌粒除去黄铁矿, 分离出干酪根用于黄金管热解实验, 干酪根的具体制备过程见Durand and Nicaise (1980)。

图1 样品采集位置(a)和川西北地区上古生界地层综合柱状图(b)(据杨跃明等, 2018修改)

有机岩石学分析包括光学显微镜和扫描电镜观察。挑取具有新鲜断面的小块岩样制成光片。显微组分分析在Leica DM 2500P光学显微镜上完成, 荧光观察采用蓝光激发。镜质体反射率在CRAIC 508 PV光度计上进行测定。扫描电镜观察通过配备能谱仪(EDS)的高分辨率场发射扫描电镜(FE-SEM, Hitachi S-8000)完成。为了获得高光滑度的样品表面, 使用IM4000 Ar离子研磨仪进行抛光。FE-SEM观察的工作距离为3.8～4 mm, 工作电压为1.5 kV。孢子体和矿物EDS分析的工作距离为15 mm, 工作电压为15 kV。

干酪根热解实验采用黄金管封闭体系生烃动力学实验装置(Pan et al., 2006; Hill et al., 2007)。先将样品装入黄金管, 在Ar保护下密封, 然后将密封管放入不锈钢压力容器中, 在热解过程中压力保持在50±2 MPa左右。程序热解温度为300～600 ℃, 升温速率为2 ℃/h和20 ℃/h。当热解温度达到设定温度时, 将反应釜从热解炉中取出并淬火后冷却至室温, 然后将黄金管取出。

黄金管中微量气体的收集和定量方法见Pan et al. (2006)。气体的组分分析采用安捷伦 7890N- Wason色谱仪, 使用Poraplot Q型色谱柱(30 m× 0.25 mm×0.25 μm), 用He作载气。升温程序: 初始温度50 ℃, 恒温2 min, 再以4 ℃/min的速率升至180 ℃, 恒温15 min。气体产率采用外标法进行定量(Pan et al., 2006), 单位为mL/g, 气体体积对应的温度和压力分别为20 ℃和101.325 kPa。甲烷、乙烷和丙烷的C同位素分析在Delta plus XL GC-IRMS同位素质谱仪上完成, 分析误差小于±0.3‰(PDB)。采用Poraplot Q型色谱柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm), 用He作载气; 升温程序: 初始温度50 ℃, 恒温3 min,再以15 ℃/min的速率升至190 ℃, 恒温7 min。

基于平行一级反应动力学模型, 本研究采用离散分布活化能模型计算C1～5气体的生成动力学参数, 根据两种不同升温速率下的气体产率随热解温度变化曲线, 利用Kinetics 2000软件拟合得到。甲烷C同位素分馏动力学参数利用GOR-isotope软件拟合得到, 基本原理是将甲烷分为13C1与12C1两种组分, 其生成的活化能之差(Δ)与12C1活化能的关系呈“S”型分布。通过拟合实验测定的甲烷C同位素值, 能够分别计算出13C1与12C1生成的活化能, 具体原理与方法见Tang et al. (2000)。

2 有机岩石学和地球化学特征

由于研究样品取自砂岩夹层中, 显微镜下可见少量的石英颗粒(图2a、b)。值得注意的是, 云南禄劝煤中虽然也含有孢子体但是其主要显微组分为角质体(Dai et al. 2006), 而本研究样品中的孢子体却异常丰富, 视域中80%以上的显微组分为孢子体(图2b), 只含有约5%～10%的镜质体, 有机质以I-II型干酪根为主。样品中的孢子体包括大孢子体和小孢子体, 大小范围可由小于20 μm至大于200 μm不等(图2c～e)。在透射光下, 孢子体呈橙黄色, 反射光下呈正高突起, 油浸反射光下颜色比镜质体深, 为灰黑色, 具有黄和橙黄色荧光(图2b、c、e、f)。小孢子体成堆发育(图2d、e), 大孢子体一般具有瘤状纹饰, 孢子壁较厚(图2g), 有的孢子体腔内含有伴生黄铁矿(图2i～k)。

(a、b) 大孢子体透射光和对应荧光; (c) 大孢子体荧光照片, 具瘤状纹饰; (d、e) 小孢子体堆反射光和对应荧光; (f) 油浸反射光下长条状镜质体; (g) 大孢子体, 具瘤状纹饰; (h) 小孢子体; (i) 孢子体和黄铁矿; (j) 孢子体能谱图; (k) 黄铁矿能谱图。

烃源岩和干酪根样品的TOC和Rock-Eval岩石热解结果列于表1。5块烃源岩样品TOC含量介于5.65%～14.24%之间, 游离烃(1)为0.86～3.08 mg/g, 热解烃(2)为31.07～90.74 mg/g, 氢指数(HI)为519～734 mg/g(每克TOC中的热解烃量, 下同), 氧指数(OI)为 4～17 mg/g (每克TOC中的热解产生CO2量, 下同),max为420～428 ℃, 实测镜质体反射率o为0.60%, 表明处于低成熟阶段。陈建平等(2006)从吐哈盆地侏罗系煤中分离出的孢子体的HI值在330～350 mg/g之间, 而刘德汉等(2000)从加拿大泥盆系采集的孢子体的HI值高达593 mg/g, 与本研究样品结果较为一致。利用烃源岩样品(S-5)制备的干酪根样品(K-5)的1值为1.92 mg/g,2值为414.31 mg/g, HI值为602 mg/g,max值为421 ℃。干酪根的C同位素是进行油气源对比的重要依据之一, 主要与原始有机质的来源及沉积环境有关, 而热成熟作用并不会明显改变干酪根的同位素组成(王大锐, 2000)。本研究样品的干酪根C同位素为−24.7‰, 重于相邻地区上覆地层观雾山组泥灰岩的干酪根C同位素(平均为−29.3‰, 赵洁等, 2018)。值得注意的是, 云南禄劝中泥盆统残植煤的C同位素(−20.4‰)也比同剖面同层位泥灰岩的干酪根C同位素重约10‰(刘文斌等, 2008), 这可能与这一时期特殊的有机质来源或沉积环境有关, 今后还需进一步研究。

表1 富孢子体烃源岩基础地球化学参数

注: S-1～S-5为烃源岩样品, K-5为干酪根样品; “/”表示没有数值。

3 干酪根气态烃生成特征

3.1 气体产率特征

干酪根的气态烃产率数据见表2。两种升温速率下C1～5总气态烃的累积产率均随热解温度的升高而增加(图3a), 而重烃气C2～5产率随着温度升高呈现出先升后降的特征(图3b)。以2 ℃/h升温速率为例, C1～5气体在600 ℃时最高产率为399.66 mL/g, 而C2～5重烃气体产率在456 ℃时达到最高值, 为76.19 mL/g。随着温度的增加, C2～5重烃气体的裂解速率大于其生成速率, 产率逐渐降低, 到600 ℃时降至0.85 mL/g。图3还显示, 在实验温度相同时, 快速升温速率(20 ℃/h)下烃类气体的产率比慢速升温速率(2 ℃/h)下烃类气体的产率低, 反映烃类气体的生成符合时间与温度补偿效应。

表2 黄金管热模拟实验裂解气态烃类产率

注: iC4. 异丁烷; nC4. 正丁烷; iC5. 异戊烷; nC4. 正戊烷; Easyo值参考自Sweeney and Burnham (1990)。

图3 干酪根裂解C1～5总气和各气态烃组分产率特征

甲烷(C1)累积产率随热解温度的升高而增加(图3c)。在最高热解温度(约600 ℃), 20 ℃/h升温速率下甲烷累积产率为376.76 mL/g, 在2 ℃/h升温速率下甲烷累积产率为398.81 mL/g(表2)。乙烷(C2)、丙烷(C3)以及丁烷和戊烷(C4～5)的产率均随实验温度的升高先增加再降低(图3d～f)。以2 ℃/h升温速率实验为例, 乙烷的产率在480 ℃达到最高值47.65 mL/g, 丙烷的产率在456 ℃达到最高值22.65 mL/g, 但丁烷和戊烷产率在408～456 ℃就达到最高值12.52 mL/g。总体而言, 分子量越高的产物其最高产率所对应的温度越低, 反映了在干酪根热裂解过程中, 高分子量产物优先生成的同时也优先裂解(Tang et al. 2000; Wang et al. 2013)。

3.2 气体组成特征

封闭体系下低成熟干酪根生成天然气的过程可分为干酪根初次裂解和原油的二次裂解。在干酪根初次裂解过程中, 甲烷的生成速度普遍快于乙烷, 导致C1/C2值逐渐增大, 而C2/C3值基本保持不变(甚至降低), 而在原油二次裂解过程中, C1/C2值增长幅度较小, C2/C3值快速增加。总体而言, ln(C1/C2)与ln(C1/C2)值的演化在两种升温速率下可划分为4个不同阶段(图4)(Prinzhofer and Huc, 1995; Wang et al. 2013; Zhao et al. 2018)。以2 ℃/h升温速率为例, 第1个阶段从336 ℃到360 ℃, ln(C1/C2)和ln(C1/C2)值随温度升高而降低, 这是因为干酪根发生初次裂解, 不同气体的优先产出顺序为C3>C2>C1; 第2个阶段从360 ℃到432 ℃, 也对应着干酪根初次裂解阶段, 干酪根裂解产生的甲烷比乙烷多, ln(C1/C2)2值逐渐增加, 但ln(C1/C2)值保持稳定, 甲烷显著增加的原因主要是干酪根芳香环中甲基和支链甲基的裂解;第3个阶段发生在432～528 ℃之间, 甲烷和乙烷的产率显著提高, 与干酪根生成的原油发生二次裂解生气有关(Prinzhofer and Huc. 1995); 第4个阶段从528 ℃到600 ℃, 该阶段主要是湿气特别是丙烷继续向乙烷或甲烷裂解, 但与第3阶段相比, C2/C3值增加幅度较小。值得注意的是, 与前人报道的煤和煤系泥岩裂解气组成的演化特征相比, 本研究样品在热解温度达到600 ℃时, ln(C1/C2)最大值在4～5之间, 小于煤和煤系泥岩裂解气的ln(C1/C2)值(Zhao et al., 2018), 说明倾油型烃源岩在封闭体系下生成的天然气更富集C3等重烃气。

前人研究表明, 在热解生烃过程中, 正构烷烃是由自由基反应形成的, 而异构烷烃可来源于干酪根或沥青中支链的自由基裂解, 或者α-烯烃与质子的C离子反应(Kissin et al., 1987)。以2 ℃/h升温速率为例, 异丁烷/正丁烷(iC4/nC4)值在300～450 ℃之间变化不大且小于0.5, 在450 ℃后迅速上升, 最高可达5.58, 但在实验温度高于528 ℃时再次低于1.0(表2; 图5a); 异戊烷/正戊烷(iC5/nC5)值主要在0.53～1.48之间波动, 在480～528 ℃之间比值略有增加(表2; 图5b)。上述现象与前人报道的海相烃源岩和原油裂解生气实验结果类似(Pan et al., 2010; Wang et al., 2013; Gai et al., 2019)。

3.3 气体C同位素特征

不同升温速率(20 ℃/h和2 ℃/h)下甲烷、乙烷及丙烷的C同位素结果见表3。3种气体的C同位素在两种不同升温速率下的热演化趋势总体相似(图6)。以2 ℃/h升温速率为例, 随着热解温度的增加, 甲烷C同位素表现出先变轻再变重的演化特征, 在420 ℃左右甲烷C同位素最小值为−40.8‰, 420 ℃之后随着温度的增加甲烷逐渐富集13C1, 在600 ℃时达到最大值−28.1‰。富孢子体烃源岩甲烷C同位素的演化趋势与前人报道的海相烃源岩研究结果类似, 但本研究样品的甲烷C同位素值明显重于已报道的海相烃源岩和原油裂解甲烷的C同位素值(Tian et al., 2009, 2010; Wang et al., 2013)。

图4 干酪根裂解气体ln(C1/C2)与ln(C2/C3)值随裂解温度的演化特征图

图5 气体异丁烷/正丁烷(a)和异戊烷/正戊烷(b)随裂解温度变化特征

表3 黄金管热模拟实验裂解气体碳同位素数据

注: “/”表示没有数值。

图6 甲烷、乙烷和丙烷C同位素随热解温度的变化特征

乙烷和丙烷的δ13C值随着温度升高呈逐渐变重的趋势(图6)。以2 ℃/h升温速率为例, 在早期热解阶段变化相对缓慢, 但在408 ℃之后开始快速变重, 且丙烷的变重速度明显快于乙烷。在热解温度高于450 ℃时, 乙烷和丙烷的δ13C值会高于干酪根C同位素值, 这主要与乙烷和丙烷在高温下的二次裂解有关(Tian et al., 2007; Wang et al., 2013)。

4 生烃动力学参数

4.1 C1～5气体生成动力学参数

干酪根在两种升温速率下的总烃气(C1～5)最大产率几乎相同, 这为利用化学动力学模型拟合总烃气生成的动力学参数提供了理论依据。图7a给出了根据实验结果, 利用平行一级动力学模型计算的C1～5总烃气生成的动力学参数, 拟合结果如图7b所示。可以看出, C1～5总烃气生成的频率因子()为2.84×1014s−1,活化能分布范围在213.5268～314.0100 kJ/mol之间, 活化能峰值为280.5156 kJ/mol (图7a)。

4.2 甲烷C同位素分馏动力学参数

根据两种升温速率下的甲烷产率与甲烷C同位素, 基于Tang et al.(2000)的动力学模型, 利用GOR-isotope软件拟合出了甲烷的C同位素分馏动力学参数(表4; 图8)。可以看出, 甲烷生成的频率因子为4.72×1014s−1, 活化能分布在221.9004～339.1308 kJ/mol之间, 活化能均值为280.5156 kJ/mol, 方差σ为29.3076 kJ/mol(图8a), 拟合结果如图8b所示。甲烷的13C1和12C1生成Δ与活化能()的S型关系如图8c所示, 甲烷C同位素的拟合结果如图8d所示。

图7 富孢子体烃源岩C1～5总烃气的生气动力学参数(a)和拟合结果(b)

表4 甲烷C同位素分馏动力学参数

注:. 重碳甲烷与轻碳甲烷指前因子比值;L. 焓差最小值;H. 焓差最大值;. S型函数均值; σ. S型函数均方差;init.生成甲烷的母质初始碳同位素值。

图8 甲烷生成与C同位素分馏动力学参数与拟合结果

4.3 地质条件下天然气生成和甲烷C同位素分馏特征

利用上述动力学参数模拟了一般地质升温速率条件下(2 ℃/Ma, 张水昌等, 2013)富孢子体烃源岩C1～5和甲烷生成的热演化曲线(图9)。可以看出, C1～5气体在Easyo处于1.0%～2.3%时, 增长较快, C1～5气体在Easyo=2.3%时为205 mL/g, 而甲烷气体产率只有118 mL/g, 大约只有最高产率的30%。当Easyo达到最大值4.56%时, C1～5气体产率接近400 mL/g, 甲烷产率可达392 mL/g。上述结果说明, 封闭体系下倾油型烃源岩中甲烷的形成主要在发生在过成熟阶段, 与原油或湿气的二次裂解密切相关。

利用获取的甲烷C同位素动力学参数, 模拟了2 ℃/Ma的地质条件下甲烷C同位素的分馏过程(图10)。已有研究表明, 川西北地区泥盆系储层内天然气干燥系数普遍大于0.99, 沥青反射率在2.3%～ 2.8%之间(谢增业等, 2018; Li et al., 2020), 根据Schoenherr et al. (2007)的公式(VRr=(BRr+0.2443)/ 1.0495), 将沥青反射率转化为等效镜质体反射率(o, EqV), 得到该储层等效镜质体反射率在2.4%～2.9%之间, 将该反射率根据Tang et al. (1996)发表的公式进行换算, 得到储层Easyo在2.8%～3.5%之间, 而金宝石组烃源岩为储层下伏地层, 成熟度应该更高, 对应Easyo在2.8%～3.5%以上。当Easyo=2.8%时, 封闭体系下累积甲烷C同位素值为−36.9‰, 瞬时甲烷C同位素值为−32.6‰; 当Easyo=3.5%时, 封闭体系下累积甲烷C同位素值为−33.2‰, 瞬时甲烷C同位素值为−26.1‰。川西北地区双鱼石构造ST3井泥盆系观雾山组储层内的天然气甲烷C同位素值介于−33.2‰ ～ −31.2‰之间(谢增业等, 2018; Li et al., 2020), 重于理论计算的累积甲烷C同位素值但轻于瞬时甲烷C同位素值。这说明, 泥盆系储层中的天然气中可能仅捕获了泥盆系烃源岩在某一阶段生成的天然气(即阶段聚气)。值得注意的是, 除了天然气的运聚模式外(阶段聚集和累积聚集), 其他地质因素也会影响气藏中天然气的甲烷C同位素值, 如母质类型、混源以及次生改造等(Liu et al., 2019)。但是, 无论是从生气潜力、甲烷C同位素分馏特征还是有利的源–储配置来看, 中泥盆统富孢子体烃源岩形成的天然气都可能是川西北泥盆系天然气藏的气源之一, 这为下一步勘探提供了新的思路。

图9 地质条件下(2 ℃/Ma)C1～5气体和甲烷的产率特征

图10 地质条件下(2 ℃/Ma)甲烷转化率与C同位素分馏特征

5 结 论

(1) 低成熟的中泥盆统富孢子体烃源岩TOC含量高(5.65%～14.24%), 氢指数为519～734 mg/g, 有机质以I–II型干酪根为主。烃源岩干酪根C同位素偏重, 为−24.7‰, 可能与该时期特殊的有机质来源或沉积环境有关。

(2) 封闭体系黄金管热模拟实验表明, 该烃源岩生气潜力较高, C1～5总烃气最高产率为399.66 mL/g, 生气的频率因子为2.84×1014s−1, 离散型活化能分布范围在213.5268～314.0100 kJ/mol之间, 活化能主峰为280.5156 kJ/mol。甲烷生成的频率因子为4.72×1014s−1, 高斯型分布的活化能均值为280.5156 kJ/mol, 方差σ为29.3076 kJ/mol, 活化能分布在221.9004～339.1308 kJ/mol之间。甲烷中13C1和12C1生成活化能的差值最大为280.5156 J/mol, 最小为91.8165 J/mol, 拟合得到的生成甲烷母质的初始C同位素值为−28.1‰。

(3) 地质条件下(2 ℃/Ma)气体生成和甲烷C同位素分馏模拟结果表明, 甲烷的累积C同位素值接近但轻于川西北泥盆系天然气藏中甲烷的C同位素值, 这一方面说明气藏中天然气的聚集属于阶段聚集, 另一方面也说明可能存在其他的气源或次生改造等地质作用, 今后还需进一步研究。

致谢:感谢中国地质大学(武汉)甘华军副教授、西北大学王庆涛老师和中国科学院广州地球化学研究所吴亮亮副研究员等3位审稿专家提出的宝贵修改意见。谨以此文庆祝中国科学院青年创新促进会成立十周年！

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Gas generation potential and kinetic parameters of Middle Devonian sporinite-rich source rocks in the northwest Sichuan Basin

WU Zijin1, 2, ZHOU Qin1, 3, LI Tengfei1, 3, JI Sui1, 3, TIAN Hui1, 3*

(1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

The Devonian has become one of the important strata for natural gas exploration in the northwest Sichuan Basin. Progressively more attention has been paid to the source rocks in this area, but there are still few relevant studies on the gas generation potential. Based on organic petrology and pyrolysis experiments, the geochemical and organic petrological signatures and the gas generation potential of the newly discovered Middle Devonian sporinite-rich source rock were investigated. The kinetic parameters of gas generation and the methane carbon isotope fractionation were also determined. The results showed that the Middle Devonian source rocks investigated here have high TOC contents of 5.65%–14.24%, with extremely abundant sporinites, and that the organic matter is dominated by type I and II kerogen. The maximum yield of C1–5is 399.7 mL/g (normalized to per gram TOC), indicating a high gas generation potential. The frequency factor of C1–5gas generation was 2.84×1014s−1, and the activation energy ranged from 213.5268 to 314.0100 kJ/mol, with a peak value of 280.5156 kJ/mol. The frequency factor of methane generation was 4.72×1014s−1, and the mean value of the Gaussian-type activation energy distribution was 280.5156 kJ/mol, with a variance σ of 29.3076 kJ/mol, and the activation energy ranged from 221.9004 to 339.1308 kJ/mol. The maximum value of the activation energy difference (Δ) between13C1and12C1generation was 280.5156 J/mol, and the minimum value was 91.8165 J/mol, and the initial carbon isotope value of the methane parent material was −28.1‰. The geological model of gas generation and methane carbon isotopic fractionation suggests that the gas generated from the sporinite-rich source rock in the Middle Devonian is likely an important source of the Devonian natural gas discovered in the northwest Sichuan Basin, which provides new insight for further gas exploration.

source rock; sporinite; pyrolysis experiment; gas generation kinetics; Sichuan Basin

P593

A

0379-1726(2022)05-0516-12

10.19700/j.0379-1726.2022.05.001

2021-11-03;

2021-11-29

国家杰出青年科学基金(41925014)、十三五油气专项课题(2017zx05008-002-004)和中石油西南油气田项目(XNY-页岩院- JS2021-49)联合资助。

吴子瑾(1994–), 男, 博士研究生, 从事油气地球化学和石油地质学研究。E-mail: 921940257@qq.com

田辉(1977–), 男, 研究员, 从事油气地球化学和石油地质学研究。E-mail: tianhui@gig.ac.cn